基于互聯網+教育的校園無線網升級方案

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.010

收稿日期：2023-06-04

摘? 要：隨著智慧校園的建設，全國教育信息化進程實現了前所未有的快速發展，我校依照2018年教育部頒發《教育信息化2.0行動計劃》，積極推進“互聯網+教育”和“加快面向下一代網絡的高校智能學習體系建設”，結合我校佛山校區當前教學樓A區、綜合樓一區、綜合樓二區、活動中心、行政樓、網絡中心、圖書館區域的校園網覆蓋情況，以及為學校智慧校園建設可持續發展提供基礎支撐，進行升級改造。文章對校區無線網絡狀況進行了概述，提出了改造目標，結合Wi-Fi 6和全光以太網技術，進行方案設計，并于2022年7月實施，有效提高了網絡傳輸速率，提高了校園網的用戶接入數上限，以滿足校區師生的無線接入使用需求。

關鍵詞：互聯網+教育；Wi-Fi 6；全光以太網；無線局域網；校園網

中圖分類號：TN929.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）01-0050-05

Campus Wireless Network Upgrade Scheme Based on Internet+ Education

LIU Hui

（South China Normal University， Foshan? 528225， China）

Abstract： With the construction of smart campus， the process of national education informatization has achieved unprecedented rapid development. In accordance with the Education Informatization 2.0 Action Plan issued by the Ministry of Education in 2018， our university actively promotes “Internet+ Education” and “accelerating the construction of intelligent learning system for colleges and universities facing the next generation network”. Combined with the current campus network coverage situation of the teaching building A， comprehensive building I， comprehensive building II， activity center， administration building， network center and library area in Foshan Campus of our university， and to provide basic support for the sustainable development of the smart campus construction， the upgrading and transformation will be carried out. In this paper， the status of the campus wireless network is summarized， and the transformation goal is proposed. It combines Wi-Fi 6 and all-optical Ethernet technology， designs the scheme and implements in July 2022， which effectively improves the network transmission rate and raises the upper limit of user access to the campus network， so as to meet the needs of teachers and students on campus for wireless access.

Keywords： Internet+ education; Wi-Fi 6; all-optical Ethernet; wireless LAN; campus network

0? 引? 言

隨著數字化校園建設快速發展，我校積極推進“互聯網+教育”，實現接入快速穩定的互聯網，并逐步形成云上教育資源、資源集約化的信息化發展模式，滿足學校對教學科研的網絡設計要求，助力學校將信息技術手段與教學手段完美結合[1，2]。

目前佛山校區教學樓A區、綜合樓一區、綜合樓二區、活動中心、行政樓、信息中心、圖書館區域無線設備還是2012—2014年期間的無線設備，采用的是802.11AC或者802.11n的無線AP，建設時間較長，并且前期無線建設部署的點位也隨著時間的推移，出現了覆蓋區域不到位、覆蓋數量不足等情況，隨著學校師生不斷增多，學校信息化建設不斷進步，無線終端接入數量也在迅速增多，無線業務也更加豐富，這也給佛山校區現有的無線網建設運維帶來新的挑戰。

此次通過對上述區域進行原有無線設備的升級替換以及點位補充以滿足學校師生的無線接入使用需求。采用場景化Wi-Fi 6無線AP針對各區域無線接入需求特性進行針對性覆蓋，部分區域采用全光智分+方案部署，滿足覆蓋區域未來5年的無線接入需求，更好地服務于師生的教學生活。根據上述情況，此次改造升級目標如下：

1）高質量的無線網絡。建設能夠覆蓋場景，具有良好的穩定性、可擴展性和可管理性的無線網絡，為學校的教學、科研、管理提供穩定、高速、可靠的無線網絡環境。

2）統一的網絡身份認證。采用校園內統一賬號認證實現有線無線網絡，校園網及運營商網絡的認證，使得用戶接入認證更方便快捷，實現數字化校園統一認證的建設需求。

3）可管可控的校園網絡。配合規范化教學秩序，針對有線無線的上網行為進行管控，針對時間段、接入區域、用戶身份類型等方面信息對用戶進行精細化管理，在特殊時段（例如上課、熄燈后等）進行網絡管控。并通過控制器系統實現網絡設備管理以及控制

4）基于實名的網絡審計。對校園網入網用戶進行統一實名的身份認證，并對用戶上網行為進行審計，一旦出現事故能夠定位到人，不僅滿足公安部82號令要求，而且通過上網行為審計實現校園網安全的上網環境。

1? 網絡主體結構設計

我校佛山校區無線網絡升級改造后中心拓撲的設備主要包含原有的核心交換機、AC、樓宇匯聚交換機、接入交換機、無線AP等設備以及WIS網優平臺。本系統依托校園網絡構建一個星型結構的數字化、網絡化的系統。組網架構按照“帶寬需求=并發用戶數量×單用戶峰值平均速率”，并具有一定冗余，規劃每層網絡設備之間的鏈路類型和數量，以確保所需帶寬。物理上核心層采用VSU組網，增加設備冗余同時提高設備性能，匯聚層通過鏈路捆綁與核心層鏈接，增加鏈路冗余同時提升帶寬，滿足日益增加的流量及穩定性需求。邏輯上按照極簡扁平化方案部署，將部署有線和無線的用戶網關、DHCP地址池部署、認證受控均部署核心N18K上；核心層N18K與SAM+平臺對接實現準入管控、策略隨行。SAM+作為RADIUS服務器，e Portal作為PORTAL服務器。通過在RG-ONC或N18k和出口設備上配置ACL或PBR進行策略控制，實現資源訪問和路徑控制。接入和匯聚交換機，劃分好相應的VLAN實現透傳；原核心設備N18K支持策略隨行、支持準入管控、支持自動化運維。不改變現有網絡模式，構建網絡管理核心，利用SDN技術實現用戶認證、終端準入、業務隨行、業務編輯。同時對接學校統一用戶身份認證系統，實現有線網絡與無線網絡統一認證、無感知認證。網絡主體結構拓撲如圖1所示。

2? 無線網絡設計

2.1? 無線局域網技術

無線網絡是以無線的模式配合既有的有線架構來分享網絡資源的形勢。Wi-Fi信號的傳輸方式是以無線AP為中心，呈圓形向水平方向四周散射。遇到墻壁等障礙物時可反射或改變方向。無線網絡即是用戶終端與無線AP之間的連接和數據傳輸。即Wi-Fi是一項基于IEEE 802.11協議標準的無線局域網技術，包括原有的802.11 a/b/g/n/ac以及2019年9月16日發布的802.11ax，每一代協議標準均可向下兼容前一代協議版本[3]?？梢哉f一個無線AP即是一個無線局域網，所以AP的性能直接影響了一個區域的無線用戶體驗。以RG-850（AR）為例：采用四路雙頻設計，可支持標準的802.11ax和802.11a/b/g/n/ac協議，工作頻寬可選20/40/80 MHz。

無線協商速率=（符號位長×碼率×子載波數量×空間流）/傳輸時間，由無線速率計算公式可知影響無線體驗的因素有哪些。符號位長與調制方式相關，即一個Symbol里面能承載的bit數，如1024QAM承載10 bit。碼率就是排除糾錯碼后實際傳輸的數據碼占理論值的比例，可見信噪比是影響碼率的關鍵因素。不同頻寬和不同調制方式的子載波數量不同?？臻g流即是AP的天線，包括發和收，如上圖RG-AP850（AR）2×2MIMO即2收2發天線。增加空間流可以顯著提升網絡容量，然則由于環境因素等限制，在實際中，3×3空間流之后更高的提升作用并不明顯。以Wi-Fi 6為例，不同頻寬和空間流對應的理論速率如表1所示。

802.11ax無線AP通過1024-QAM、OFDMA、SR等技術，提升無線AP單用戶性能、提升單AP性能、提升整網性能[4]。此外用戶最大并發數、頻率、頻寬、信噪比、吞吐量等，都會影響用戶體驗，需要一系列無線網優[5]，來增加無線網絡容量和覆蓋率。Wi-Fi 6是目前最前沿的Wi-Fi技術，強悍的性能滿足未來5年的無線業務發展需求。

2.2? 以太全光網絡

全光以太網的建設與應用可以提升帶寬、簡化管理、增加安全性，提高整個網絡的配置效率，達到智能運維的效果[6]。相比傳統以太網，采用全光入室，不僅速率快，且方便擴展，利于覆蓋多種業務；相比PON，以太全光網絡采用成熟的以太網架構和協議，兼容性強，利舊改造更方便[7]。結合SDN特性，實現全網全流程智能化管理。全新光纖入室+以太網+SDN技術方案，融合了以太網和POL的技術優勢，為用戶提供高帶寬、低延時、高度靈活、極簡運維的網絡承載[8]。

2.3? 無線部署方案設計

此次升級通過部署Wi-Fi 6無線AP，將南海校區的老舊無線設備進行替換，以及部分點位的部分，實現南海校區教學樓A區、綜合樓一區、綜合樓二區、活動中心、行政樓、信息中心、圖書館等區域的校園無線網絡覆蓋。采用場景化Wi-Fi 6無線AP進行場景化覆蓋：比如大辦公室教室場景，無鐵門或大開間房間，采用放裝覆蓋部署方式；而小型辦公室和公寓則采用有線無線融合一體的面板AP或智分+AP部署，既有無線覆蓋又方便有線網絡接入使用。滿足用戶（學生、老師等）辦公、學習、生活、娛樂等無線網絡接入需求。搭建實用性、可靠性、高性能、先進性、可擴展性及靈活性的無線校園網絡。

2.4? 信號覆蓋規劃

信號覆蓋內容包括信道、頻寬、頻率和信號強度以及網絡容量。校園網目前常用的信號頻率是2.4 GHz和5 GHz，5 GHz頻段又分為5.2 GHz和5.8 GHz。校園無線以微蜂窩覆蓋方式進行規劃信道[9]，信道需要手動設置，避免AP自動檢測更換信道時導致用戶離線。整體覆蓋區域實現無線信號無盲區覆蓋，信號強度≥-70 dBm。部分高密接入區域，如大會議室等能夠保障在會議召開時，并發接入數量不小于40個STA。正常辦公室、教室等場所并發接入數量不小于120個STA。教職工學生主要應用有：網頁瀏覽、在線精品課程、郵件收發、FTP/迅雷上傳下載、在線游戲、QQ、在線視頻等。單用戶帶寬要保障≥3M。采用全室內場所Wi-Fi 6協議無線覆蓋以保障高密度接入下的抗干擾。

2.4.1? 4G頻段規劃方案

2.4 GHz頻段作為室外無線信號覆蓋，由于頻率低，在空氣或障礙物多的場景衰減小，傳輸距離遠。2.4 GHz頻段頻率包含2 401～2 483 MHz，總頻寬為2 483 MHz～2 401 MHz = 82 MHz，所以可選頻寬為20/40/80 MHz，實際應用中，由于2.4 GHz頻段干擾大，通常只選擇20/40 MHz。20 MHz頻寬可劃分三個互不重疊的信道，常用的分別為1、6、11，AP部署較密集區域也可以劃分為1、5、9、13四個信道來減少同頻干擾。而40 MHz頻寬速率會得到提升，但只能劃分為兩個互不重疊的信道，若干擾大信道間互相沖突則效果更差，選擇20 MHz頻寬作為2.4 GHz信號覆蓋室外體驗更加穩定，不建議以5 GHz頻段信號覆蓋，避免終端頻率切換過程影響用戶體驗。

2.4.2? 5 GHz頻段規劃方案

室內采用2.4 GHz和5 GHz雙頻段覆蓋，既滿足只支持2.4 GHz頻段終端的接入需求，又滿足支持5G頻段終端用戶的高速率體驗需求。例如5.2 GHz頻段，其頻率范圍從5 170 MHz到5 330 MHz，其總頻寬為

5 330 MHz～5 170 MHz = 160 MHz，可由兩個連續或不連續的80 MHz頻寬組成，速率可參考表1，802.11ax在160 MHz頻寬下最高速率可高達9 600 Mbit/s（8×8空間流）；需要注意，頻寬設置越大，則對應可選信道越少，穿透力也越弱，受干擾越大，傳輸距離越短，整個頻段只能劃出一個信道，實際應用中極少選擇；相反可以根據信道規劃進行相應頻寬設置。室內可以根據信道選擇，干擾少的情況下可設置40～160 MHz的頻寬，以滿足更高的用戶速率需求。

3? 方案實施

本次升級改造新增信息點285，根據場景選用無線設備，包括RG高密AP850（AR）、放裝AP820-L、面板AP-180以及全光以太網智分+主體AP AM5552和MAP852SF，均支持802.11ax。由于POE供電的特點，網線既提供數據傳送，也為設備提供電力，考慮到設備運行的穩定性直接影響用戶的網絡體驗，非常重要，故不建議信息點利舊，全部采用全新布線。另外，由于POE供電有效距離≤100米（雙絞線長度），且考慮到供電和數據傳輸的穩定性直接影響到無線用戶的上網體驗，應使用質量好的雙絞線并確保AP與POE交換機之間的雙絞線長度不大于100米。

行政樓為密集型小辦公室場景，部署一臺全光樓棟交換機，采用光纖直達辦公室并部署全光墻面AP，大辦公室部署一臺極簡多速率交換機連接所有IP終端，接入終端可以彈性擴展，避免私接亂拉，減輕運維工作量；光網絡設計美觀、施工簡單，采用集中式供電減小了距離限制影響，并且提供更穩定的設備運行環境；光纖入室，與PON帶寬共享不同，以太光網絡用戶獨享帶寬，有線無線一體化，體驗有保障。行政樓極簡全光智分+AP部署示意圖如圖2所示。

4? 無線網測試

項目完成后，校區達成Wi-Fi 6全覆蓋，筆者使用手機、手提等不同終端以及Wi-Fi魔盒、HFS搭建內網測速服務器、AC后臺等軟件平臺不同頻率頻寬下對信號強度、終端協商速率、無線測速等方面進行測試。相關數據如表2，表3所示，實際測試數據來源如圖3、4所示。

先說一說測試過程中不同終端的差異性體現，由數據可以看出，手提電腦為支持2×1空間流終端，頻寬分別設置20/40/80時，下行速率成倍增長，而上行速率變化不明顯。由于空間流的原因，手提電腦在實際測試中速率更穩定。結果說明，802.11ax在體驗上有優勢，特別是在支持多空間流設備（包括AP和終端，速率協商是向下看齊的）的情況下有明顯優勢，能更好地滿足互聯網+教育時代下的教學需求。

5? 結? 論

此次通過采用在校園網系統基礎上對老舊設備進行升級替換以及補盲的方案，最大程度上復用了原有校園網系統，通過采用最新的Wi-Fi 6產品實現對佛山校區教學樓A區、綜合樓一區、綜合樓二區、活動中心、行政樓、網絡中心、圖書館等區域的校園無線網絡覆蓋。滿足學校師生的無線接入需求，為教學、辦公、科研等業務的正常開展提供高效的無線網絡接入環境。復用我校原有的認證系統、主干網絡，實現項目可快速落地，最低限度的改動實現南海校區整體無線網絡的升級。

Wi-Fi 6 AP的應用，通過1024QAM、160 MHz頻寬、MU-MIMO更多的空間流、OFDMA等技術且支持2.4 GHz頻段和SR等實現使整體網絡性能更好。網絡容量顯著提升，對同時連接多設備的場景支持更好，延遲更低，滿足高速率應用需求，信號也更加穩定，抗干擾能力和覆蓋范圍增強，預計支持Wi-Fi 6的終端普及后，無線網絡給用戶體驗帶來的增益更大；此外，為了支持新的技術特性，Wi-Fi 6 AP本身在硬件規格（處理器、內存等）上也會有提升，硬件上的提升也會帶來各方面更好的效果，所以對于不支持Wi-Fi 6的設備也有一定增益。

參考文獻：

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作者簡介：劉輝（1980—），男，漢族，廣東梅州人，網絡工程師，本科，研究方向：互聯網技術、無線網絡、校園網安全。